(57)【要約】【課題】  液圧拡張やローリングによる固定、溶接、及び検査のすべての作業を水室の内側から実行しなくてもよい熱交換器を提案する。【解決手段】  管板（４）から突出している結合リング（１０）を介して、水室（５）の壁（６）を管板（４）に溶接する。束をなす管（３）を管板（４）に固定した後に、水室の壁（６）を管板（４）に溶接する。結合リング（１０）は、その軸線方向に、３００mm以上の、好ましくは約３７０mmの長さを備えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器、特に蒸気発生器であって、束（３）になっている管（９）と、束（３）をなす管（９）の端部を受け入れて固定するための開口（８）が第１及び第２の面（４ａ及び４ｂ，４’ａ及び４’ｂ，４”ａ及び４”ｂ）の間に貫設されてなる、略円板状の形態である少なくともひとつの管板（４，４’，４”）と、管（９）の束（３）を取り囲むように、少なくともひとつの管板（４，４’，４”）における第１の面（４ａ）の外周に固定される、略円筒形である外側ケーシング（２，２ａ，２ｂ）と、円形対称である壁（６，６’，６”）を少なくともひとつの管板（４）における第２の面（４ｂ）の外周に、少なくともひとつの管板（４，４’，４”）に突設されてなる円筒形の結合リング（１０，１０’，１０”）を介する溶接によって、固定されて構成されている少なくともひとつの水室（５）と、を備え、該結合リングは、管板（４，４’，４”）における第２の面（４ｂ）と実質的に同一面にある第１の軸線方向端部を有すると共に結合のために自由に解放されている第２の端部（１０ａ）を有していて、外側ケーシング（２，２ａ，２ｂ）と、少なくともひとつの管板（４，４’，４”）と、少なくともひとつの水室（５）とを共通の軸線を中心として互いに溶接して組み立てて構成される熱交換器において、水室（５）の壁（６，６’，６”）に結合するための結合リング（１０，１０’，１０”）の第１の端部と第２の端部との間における軸線方向の長さは、３００mm以上になっている、ことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
管板（４）を水室の壁（６）に結合するための結合リング（１０）の長さは、実質的に４００mm又は４００mm以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
熱交換器は、Ｕ字形の管（９）の束（３）と、１枚の管板（４）と、水室（５）のための円形対称であるひとつの壁（６）とを備えてなる蒸気発生器を構成し、熱交換器は、水室（５）の壁（６）が全周にわたって、管板（４）の結合リング（１０）の自由端（１０ａ）に固定されていて、前記リングは３００mm以上の長さを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
熱交換器は、第１及び第２の管板（４’，４”）に各端部を結合されてなる直線的な管を有し、第１及び第２の管板（４’，４”）における結合リング（１０’，１０”）をそれぞれ介して、第１の管板（４’）に第１の水室の壁（６’）が結合され、第２の管板（４”）に第２の水室の壁（６”）が結合されてなる蒸気発生器を構成し、熱交換器は、第１の水室の壁（６’）と第２の水室の壁（６”）とがそれらの外周にわたって、第１の管板（４’）の結合リング（１０’）の自由端と、第２の管板（４”）の結合リング（１０”）の自由端とにそれぞれ固定されていて、それぞれの前記リングは３００mm以上の長さを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項５】
少なくともひとつの管板（４，４’，４”）における円筒形の結合リング（１０）は、管板（４，４’，４”）と一体的に作られていて、管板は円板状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
蒸気発生器などの熱交換器を製造する方法であって、束（３）になっている管（９）と、束（３）をなす管（９）の端部を係合及び固定するための開口が第１及び第２の面（４ａ及び４ｂ，４’ａ及び４’ｂ，４”ａ及び４”ｂ）の間に貫設されてなる、略円板状の形態である少なくともひとつの管板（４，４’，４”）と、管（９）の束（３）を取り囲むような、略円筒形である外側ケーシング（２，２ａ，２ｂ）と、を備え、外側ケーシング（２，２ａ，２ｂ）と、少なくともひとつの管板（４）と、少なくともひとつの水室（５）とを共通の軸線を中心として互いに溶接して組み立てて構成される熱交換器のための製造方法において、この製造方法が、
鍛造及び機械加工を用いて、管板の第２の面を構成すべき管板の片面（４ｂ）の外周に結合リング（１０）を突設されて有しているような少なくともひとつの管板（４，４’，４”）を製造する段階であって、結合リング（１０）は、管板（４，４’，４”）の軸線と同心であって、３００mm以上の長さを有し、管板（４，４’，４”）における第２の面（４ｂ，４’ｂ，４”ｂ）と実質的に同一の面にて管板に係合している第１の端部を有すると共に結合のために自由に解放されている第２の端部（１０ａ）を有しているような上記段階と、
束（３）をなしている管（９）を、少なくともひとつの管板（４，４’，４”）に設けられた貫通孔（８）に固定する段階と、
管（９）の束（３）が固定されている少なくともひとつの管板（４，４’，４”）の、結合リング（１０，１０’，１０”）の自由端（１０ａ）に、少なくともひとつの水室（５）を突き合わせ溶接する段階と、
少なくともひとつの水室（５）の壁（６，６’，６”）を、対応する管板（４，４’，４”）の結合リング（１０）に結合している溶接部について、溶接領域を加熱して応力を緩和除去する段階と、
を備えていることを特徴とする熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、特に、蒸気発生器と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器を蒸気発生器として使用して、高温の流体と熱交換を行なって、給水を加熱及び蒸発させることは知られている。
蒸気発生器は、特に原子力発電所において、特に加圧冷却水型の原子炉を有する原子力発電所において使用される。
原子炉のための加圧冷却水は、例えば英国特許第841,656号公報或いは英国特許第918,246号公報に開示されているように、蒸気発生器の一次側部分の中を循環し、非常に長くて（例えば約２０ｍ）、小さい直径（例えば約２０mm）をもった極多数の管（例えば５０００本以上）から構成された、束になった熱交換の管の内部を流れる。給水は、束を囲んでいる蒸気発生器における外側ケーシングの内部において、束をなした管の外面と接触して流れる。熱交換器の束における管は、例えばＵ字形の管になっているか、または、直線的な管が束を構成していて、直線的な管の分枝又は管全体が互いに平行になっている。
【０００３】
【特許文献１】英国特許第841,656号公報
【特許文献２】英国特許第918,246号公報
【０００４】
管がＵ字形に曲げられている蒸気発生器においては、各管における２本の直線的な分枝は、１枚の管板に貫設された開口に係合及び固定されていて、かかる管板は、束を収容している外側ケーシングの内部容積と、水室とを分離しており、かかる水室は、冷却水を配水し及び回収するための配水区画室と回収区画室とを備え、各管は第１の端部と第２の端部とをそれぞれの区画室の中に開口させている。
管が直線的になっている蒸気発生器においては、束になった管の端部は、第１の管板と第２の管板とに貫設された開口に係合及び固定されていて、かかる管板は、束を収容している蒸気発生器の外側ケーシングの内部容積と、第１及び第２の水室とを分離しており、これらの２つの水室は、原子炉の冷却水をそれぞれ配水及び回収するために働く。
蒸気発生器における水室は一般に、軸線を中心に円形対称である壁を備えていて、そうした壁は、半球形であるか、又は円筒半球形の形状になっている。束を収容している蒸気発生器の外側ケーシングは、一般に丸い断面形状をもった円筒形になっていて、管板はかなり厚くて丸い形状をもった円板状になっている。
【０００５】
蒸気発生器を製造するに際しては、蒸気発生器の外側ケーシングと、管板と、水室とを突き合わせ溶接して組み立てている。
束になった管は、管板の第１の面から第２の面に渡して、又はそれぞれの円板形の管板に渡して、管板に貫設された開口に係合及び固定される。束をなしているそれぞれの管の端部は、管板に設けられた貫通開口に通して係合されてから、例えば液圧手段や、ローラ式の管拡張器具を用いて管壁を貫通開口の壁に対して押圧するなど、スエージングして管壁の直径を拡張させることによって、貫通開口に通った状態に固定される。固定作業の仕上げとして、水室の中に開いている管の端部を管板の片方の面に溶接して、管と管板との間の接合部をシールする。
蒸気発生器に管を取り付ける作業は複雑であって、管の端部を係合、固定、及び溶接し、管板に固定された管の端部を検査するためには、管板に設けられた貫通開口に容易にアクセスできることを要求する。その結果、水室の壁を管板の所定部分に組み付けるのよりも前に、蒸気発生器に管を取り付けることが好ましい。それにもかかわらず、そうした場合には、管板に既に束が取り付けられた状態において、水室の壁を管板の所定部分に溶接して結合することが必要になるという点において不都合がある。水室の壁は、蒸気発生器の一次側部分を構成して原子炉の加圧冷却水を受け入れることになるため、相当に分厚くなっていて、かかる壁を、これを受けるべく準備された管板における所定部分に溶接して、管板の壁と同じ厚みにすることは、時間を要する複雑な作業であって、溶接領域と管板とを著しく加熱することにつながる。さらに、水室の壁における溶接部の応力は、熱処理によって緩和除去する必要があるが、これは管板を相当に加熱することにつながる。従って、管板と、管板にスエージングされた管部分との間には、異なった膨張が生じることになるため、水室を溶接して溶接部に応力緩和処理を施した後には、いくつかの管の結合部に欠陥が生じることがある。
【０００６】
そのため、蒸気発生器を組み立てるために、管の束を管板の貫通開口の中に係合及び固定する前に、水室の壁を管板に溶接することが提案された。その方法は、液圧拡張やローリングによる固定、溶接、及び検査のすべての作業を水室の内側から実行しなければならないという点において、実現することが困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、熱交換器、特に蒸気発生器であって、束になっている管と、束をなす管の端部を受け入れて固定するための開口が第１及び第２の面の間に貫設されてなる、略円板状の形態である少なくともひとつの管板と、管の束を取り囲むように、少なくともひとつの管板における第１の面の外周に固定される、略円筒形である外側ケーシングと、円形対称である壁を少なくともひとつの管板における第２の面の外周に、少なくともひとつの管板に突設されてなる円筒形の結合リングを介する溶接によって、固定されて構成されている少なくともひとつの水室と、を備え、該結合リングは、管板における第２の面と実質的に同一面にある第１の軸線方向端部を有すると共に結合のために自由に解放されている第２の端部を有していて、外側ケーシングと、少なくともひとつの管板と、少なくともひとつの水室とを共通の軸線を中心として互いに溶接して組み立てて構成される熱交換器において、蒸気発生器に完全に管を取り付けた後に溶接作業が行われ、管の束と管板との間の結合部を損傷させるリスクをまったく伴なわないような熱交換器を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このために、水室の壁に結合するための結合リングの第１の端部と第２の端部との間における軸線方向の長さは、３００mm以上になっている。
本発明によるさらに特別な特徴として、
管板を水室の壁に結合するための結合リングの長さは、実質的に４００mm又は４００mm以上とすること、
熱交換器によって、Ｕ字形の管の束と、１枚の管板と、水室のための円形対称であるひとつの壁とを備えてなる蒸気発生器を構成し、水室の壁が全周にわたって、管板の結合リングの自由端に固定されていて、前記リングは３００mm以上の長さを有しているようにすること、
蒸気発生器を構成する熱交換器において、第１及び第２の管板に各端部を結合されてなる直線的な管を有し、第１及び第２の管板における結合リングをそれぞれ介して、第１の管板に第１の水室の壁が結合され、第２の管板に第２の水室の壁が結合されてなる蒸気発生器を構成し、熱交換器は、第１の水室の壁と第２の水室の壁とがそれらの外周にわたって、第１の管板の結合リングの自由端と、第２の管板の結合リングの自由端とにそれぞれ固定されていて、それぞれの前記リングは３００mm以上の長さを有しているようにすること、及び、
少なくともひとつの管板における円筒形の結合リングは、管板と一体的に作られていて、管板は円板状に形成されていること、
を単独で又は組み合わせて採用することができる。
【０００９】
また、本発明は蒸気発生器などの熱交換器の製造方法を提供するもので、かかる製造方法は以下の段階を含む。すなわち、
鍛造及び機械加工を用いて、管板の第２の面を構成すべき管板の片面の外周に結合リングを突設されて有しているような少なくともひとつの管板を製造する段階であって、結合リングは、管板の軸線と同心であって、３００mm以上の長さを有し、管板における第２の面と実質的に同一の面にて管板に係合している第１の端部を有すると共に結合のために自由に解放されている第２の端部を有しているような上記段階と、
束をなしている管を、少なくともひとつの管板に設けられた貫通孔に固定する段階と、
管の束が固定されている少なくともひとつの管板の、結合リングの自由端に、少なくともひとつの水室を突き合わせ溶接する段階と、
少なくともひとつの水室の壁を、対応する管板の結合リングに結合している溶接部について、溶接領域を加熱して応力を緩和除去する段階と、
がそれである。
【００１０】
本発明を良く理解できるように、以下では、添付図面を参照しつつ、加圧水型の原子炉に用いるための、本発明による蒸気発生器について例示的に説明することとし、添付図面には、２つの実施形態と蒸気発生器のために管板とを示すことにした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１において、符号１は蒸気発生器の全体を示していて、この蒸気発生器は、略円筒形であって、その下部には蒸気発生器の管の束３を収容している外側ケーシング２と、管板４と、特に半球形の壁６を含む円筒及び半球形である水室５とを備えている。
蒸気発生器の外側ケーシング２において、下部部分２ａは、管の束３を束ケーシングないし“ラッパー”７の内部に収容していて、上部部分２ｂは、下部部分２ａの直径に比べて大きい直径になっていて、蒸気発生器によって発生した蒸気のための水分離器及び乾燥器を収容している。
蒸気発生器における外側ケーシングの下部部分２ａは、その下端において、これを受けるべく管板４に用意された環状の部分に溶接され、管板自体は略円形になっている。
管板４は、かなりの厚み（約５００〜６００mm）を有していて、直径も大きくて（約３〜４ｍ）、鍛造、機械加工、及びドリル加工によって作られている。インゴットを鍛造して、管板の概略の形状及び寸法をもった円板を得た後、円板を加工機械で仕上げして、外側ケーシングに隣接する側の、給水を受けて蒸気発生器の二次部分を形成することになる面４ａと、水室に隣接する側の面４ｂとの間に貫通するように、蒸気発生器の軸線方向に管板にドリル孔を形成する。
【００１２】
図２は、あくまでも例示的に、管板４を貫通する数千の孔のうちの２つだけ、束をなす管９を係合し固定するための開口８を示している。
インゴットを鍛造して管板のための円板形のブランクを得るとき、ブランクには、管板４と外側ケーシング２とを結合するための環状の部分１１が形成されると共に、ブランクには、管板４と半球形の水室における壁６とを結合するための円筒形のリング１０が形成される。また、管板４の外周には、環状のフランジ１２が形成される。鍛造された部品を機械加工することによって、図２に示すような最終形状の管板を得ることができ、外側ケーシング２と結合するための環状の部分１１は、管板の面４ａにおける外周に配置されていると共に、管の束を通して固定するための開口８が形成される管板の中央部分とは溝１３によって隔てられている。
【００１３】
本発明によれば、水室の壁に結合するための結合リング１０における軸線方向の高さｈ、つまり、結合のための自由端部分１０ａと、面４ｂにて管板の円板形の本体に係合している部分との間の高さは、３００mm以上であって、好ましくは約４００mmになっている。その結果、管板が機械加工される際に素材が除去されることを考慮すれば、管板の面４ｂから軸線方向に、少なくとも３００mm、一般的には３７０mm以上の長さの突出した管状の部分を有するように、鍛造を行うことが必要になる。
【００１４】
以下、本発明によるＵ字形の管を有してなる蒸気発生器を組み立てる作業について説明することとし、蒸気発生器の管板におけるリング１０は、軸線方向に少なくとも３００mmの長さの、溶接のために用意された突出部ないしタブを構成しているものとする。
かかる蒸気発生器の説明においては、蒸気発生器は垂直な、使用中の状態、つまり長手軸線１４が垂直になっている状態であるものと仮定する。
実際には、蒸気発生器の組立作業において、管の取付作業を含む少なくともいくつかの作業は、軸線１４を水平に配置して実行される。
蒸気発生器の様々な部分は別々に作られるもので、すなわち、外側ケーシングにおける下部部分２ａと上部部分２ｂ、管板４、並びに、開口１５のような一次回路に結合する配管を受ける開口と、水室を検査するためのマンホールとなる開口１６とが貫設されている水室の半球形の壁６、に分けることができる。
【００１５】
本発明の製造方法を実施する場合には、結合リングは水室の壁６を受ける用意ができたままに残しておいて、水室の壁６を結合リング１０に組み付ける前に、蒸気発生器の管を取り付ける。従って、管は管板４に直接的に結合されて、束３と管板４とからなるサブアセンブリが構成される。束３におけるそれぞれのＵ字形の管９において、直線的な分枝の自由端部分は、管板４に貫設されたそれぞれ２つの開口に係合し、管は概略、束の周辺から中心部分へ向けて曲率半径が小さくなっていくような連続平面をなすように配置される。管９の端部は、管板４の開口８に係合された後、スエージングされ、溶接される。
束３におけるすべての管９が管板に固定された後、水室の壁６の丸い周囲面を、これを受けるべく用意されたまま結合リング１０に残されていた自由結合端１０ａに突き合わせ、壁６と結合リング１０とを互いに円形状に溶接することで、水室の壁６は管板に組み付けられる。連続した経路に沿って溶接は実行され、溶接斜面が充填されて溶接のすみ肉が冷えたならば、溶接部並びに溶接によって影響された領域について、応力を緩和除去する。応力の緩和除去は、溶接結合領域を応力緩和温度にまで加熱することによって行う。
【００１６】
３００mm以上の、好ましくは３７０mm以上の長さの結合リングを使用することによって、水室の壁６を結合するための溶接と、その後の応力緩和処理とに際しての、管の束と管板との結合部への損傷は完全に回避できることが見い出された。管板４に伝達される熱流束と、管板４の大きくかさばる円板形部分の温度上昇とは無視することができて、管の束の結合部はまったく、特に異なる膨張によって、劣化することがない。
水室の壁６が固定された後には、管と管板との結合部について、配管結合開口１５及び／又はマンホール１６を介して、最終的な検査を実施することができ、水室５自体は、蒸気発生器の軸線上にある仕切板１７によって２つの区画室に分割されていて、水室の壁６は、各区画室について、配管結合１５とマンホール１６とをそれぞれ有している。管９の束３は、それぞれの管において、第１の端部が水室における第１の区画室に開口し、第２の端部が水室における第２の区画室に開口するように取り付けられる。
【００１７】
水室の壁が管板に組み付けられた後には、外側ケーシングを束３の周囲に係合させて、外側ケーシングの下部部分２ａを環状の結合部１１に沿って管板に溶接する。この溶接は、蒸気発生器の二次部分を形成する壁に対して行われ、かかる壁は、水室の壁６と管板の結合リング１０との厚みに比べれば、著しく薄い厚みになっている。このように厚みが薄いこと、及び、外側包被２は束ラッパー７で一般に形成される蒸気発生器の二次部分を取り囲んでいるということのために、外側ケーシングの溶接部については、応力緩和処理を実行する必要がない。従って、蒸気発生器における外側ケーシングの下部部分２ａの組立中に、管板４が加熱される限度は極めて限られる。
最後に、外側ケーシングの上部部分２ｂが組み立てられ、この部分は水分離器と蒸気乾燥器、並びに外側ケーシングの下部部分２ａと束ラッパー７とへ蒸気発生水を供給するための円環体１８を収容しているが、かかる作業は原子炉の現場で行われる。
本発明による蒸気発生器の特徴は、管板を水室に結合するためのリングが３００mm以上の長さを有することによって、束になった管と管板との結合部を劣化させるリスクを伴なうことなく、蒸気発生器を組み立てることを可能にすることである。
【００１８】
図３は、加圧水型の原子炉のための、本発明に従った、直線的な管の蒸気発生器を示している。Ｕ字形の管の蒸気発生器（図１）と、直線的な管の蒸気発生器（図３）とにおいて、対応する要素には同一の参照符号を付していて、いずれの図面においても、符号１は蒸気発生器の全体、２は外側ケーシング、３は束、９は束をなした管をそれぞれ示している。直線的な管の蒸気発生器は、第１の管板４’と第２の管板４”とを有し、それぞれの管板には、束３をなす管９における第１の端部又は第２の端部が固定され、また、それぞれの管板には第１の水室又は第２の水室がそれぞれ固定されている。それぞれの管板は、蒸気発生器の二次側に第１の面（４’ａ又は４”ａ）を有していると共に、円筒及び半球形である水室の壁（６’又は６”）の内部にあたる蒸気発生器の一次側に第２の面（４’ｂ又は４”ｂ）を有している。水室における半球形の壁のそれぞれは、蒸気発生器の軸線方向（管９と平行な方向）について、少なくとも３００mmの長さの、好ましくは４００mmの長さである、円筒形の結合リング（１０’又は１０”）を介して、対応する管板に結合される。
【００１９】
蒸気発生器の様々な部分、特に管板４’及び４”は、Ｕ字形の管をもった蒸気発生器と同一のやり方で製造され、組み立てられる。
束３をなす管９が、それらの両端にてスエージング及び溶接で管板４’と管板４”とに固定され、その周囲に外側ケーシング２が係合して溶接固定されてなる、サブアセンブリが作られる。次に、水室の半球形の壁が、これを受け入れるように用意された結合リング１０’及び１０”に対して、突き合わせ溶接によって固定される。束を取り囲む外側ケーシング２は、水室が溶接される前に又は後に、管板に溶接される。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
管板を水室に結合するための結合リングは、純粋な円筒形以外の形状に形成することもできる。結合リングは好ましくは、管板と一体的に作られるけれども、独立した部品として管板に取り付けられるような結合リングを使用することも想定可能である（ただし、そうした方法では、１回ではなくて、２回の溶接を行う必要がある。）。
管の両端が２枚の別々の管板に結合される、直線的な管の蒸気発生器においては、２枚の管板のそれぞれは、対応するいずれか一方の水室の壁に結合するために、それぞれリングを有していて、かかるリングの軸線方向における長さは３００mm以上になっている。
管板に対して行われる鍛造によっては、４００mm以上の長さをもった結合リングを使用することも想定可能である。結合リングの長さを大きくすると、水室における円筒形の上部部分の容積が、管板と同一径である半球部分の容積に比べて大きいために、水室５の内容積が増大することになるが、これは、厚みの大きな壁６を使用ことで、または、形状を若干修正した壁を使用することで補償することができる。
【００２０】
本発明は、加圧水型の原子炉で用いるためのＵ字形の管や直線的な管を有する蒸気発生器に限定されるものではなく、少なくともひとつの水室の壁に結合された少なくともひとつの管板に、管の束を固定されて含むような、あらゆる熱交換器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、加圧水型の原子炉に用いられる、Ｕ字形の管を有してなる蒸気発生器を示した軸線方向の断面図である。
【図２】図２は、管が取り付けられる前における、かつ蒸気発生器が組み立てられる前における、蒸気発生器の管板を拡大して示した軸線方向の断面図である。
【図３】図３は、直線的な管を有してなる蒸気発生器を示した軸線方向の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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